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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Geschwindigkeitsrelationen zwischen Antriebsgruppen einer Papiermaschine.
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Die Erfindung betrifft weiter ein Computerprogramm zur Durchführung eines derartigen Verfahrens sowie ein Computerprogrammprodukt mit einem derartigen Computerprogramm.
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Ein derartiges Verfahren kommt auf dem Gebiet der Papierherstellung zum Einsatz. In oft vorkommenden Konstellationen einer Papiermaschine befindet sich nach einer Vortrockenpartie eine Leimpresse und danach eine Nachtrockenpartie. In einigen Fällen – wie z. B. in Newsprintmaschinen – existiert allerdings auch lediglich eine Vortrockenpartie ohne Leimpresse und Nachtrockenpartie. Die Vortrockenpartie und die optionale Nachtrockenpartie bestehen üblicherweise jeweils aus mehreren dampfbeheizten Trockenzylindern. Dabei werden typischerweise jeweils mehrere hintereinander liegende Trockenzylinder zusammen in einer Antriebsgruppe mit gleicher Geschwindigkeit angetrieben, also z. B. die Trockenzylinder in der Vortrockenpartie in m Antriebsgruppen und die Trockenzylinder der Nachtrockenpartie in n Antriebsgruppen.
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In diesen Trockengruppen einer Papiermaschine wird eine Papierbahn – ausgehend von einer Anfangsfeuchte – auf eine bestimmte Endfeuchte getrocknet. Die Bahn ändert dabei ihre Eigenschaften, unter anderem auch das Elastizitätsmodul, welches über eine Funktion direkt vom Feuchtegehalt abhängt. Um eine gleichmäßige Bahnspannung (auch als Bahnzug bezeichnet) aufrechtzuerhalten, die für die Qualitätsparameter der Ware ebenso wichtig ist wie für die Stabilität des Bahnlaufs (möglichst keine Überdehnung, wenige Abrisse; es wird aber auch ein gewisser Mindestzug benötigt, damit die Führung der Bahn an den umschlungenen Walzen gewährleistet ist und Falten vermieden werden), müssen die Geschwindigkeiten der einzelnen Trockengruppen dem Trocknungsprofil angepasst werden.
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Das technische Problem besteht nun darin, wie die Geschwindigkeits-Sollwerte, insbesondere die Differenz- oder Relations-Sollwerte, der Antriebsgruppen der Vortrockenpartie (und ggf. auch der Nachtrockenpartie) einzustellen sind. Nach gegenwärtigem Stand der Technik müssen Abweichungen im Bahnzug vom Bediener nach Sicht oder durch Befühlen erkannt und von Hand über die Geschwindigkeitsrelationen der Antriebsgruppen nachgestellt werden.
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DE 10 2004 018 522 A1 betrifft eine Papiermaschine, die dadurch gekennzeichnet ist, dass in der Papiermaschine mindestens eine Anordnung zum Aufbringen von mindestens zwei in Längsrichtung voneinander beabstandeten Markierungen auf die Faserbahn und eine in Bahnlaufrichtung der Faserstoffbahn und eine in Bahnlaufrichtung nachgeordnete Messeinrichtung angebracht ist.
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DE 696 18 896 T2 betrifft eine Trockenpartie einer Papierherstellmaschine, wobei Geschwindigkeitsdifferenzen von Trockenzylindern zu Trockenzylinder zwischen mehreren der einzeln angetriebenen Trockenzylinder eingestellt werden können, um eine Streckung und/oder Schrumpfung der Papierbahn auszugleichen.
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DE 600 25 356 T2 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer sich bewegenden Papierbahn. Hierfür wird ein Bahndehnungsprofil und ein Feuchtigkeitsprofil zum Steuern der Bahndehnung gemessen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Geschwindigkeitsrelationen von Antriebsgruppen einer Papiermaschine automatisch zu bestimmen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung von Geschwindigkeitsrelationen zwischen Antriebsgruppen einer Papiermaschine, wobei die Papiermaschine zumindest eine Vortrockenpartie mit zumindest einer Antriebsgruppe aufweist und wobei die Antriebsgruppen der Vortrockenpartie jeweils zumindest einen Trockenzylinder zum Trocknen einer Papierbahn aufweisen, mit den folgenden Schritten:
- – Bereitstellung von Messwerten aktueller Prozessgrößen wie von Geschwindigkeiten der Antriebsgruppen, einer flächebezogenen Masse der Papierbahn, von Feuchtemessungen nach dem letzten Trockenzylinder der Vortrockenpartie und/oder von Dampfdrücken in den Trockenzylindern,
- – Berechnung von Bahnfeuchten der Papierbahn nach jedem Trockenzylinder aus den Messwerten,
- – Berechnung zumindest einer Bahndehnung aus einem Elastizitätsmodul und zumindest einer vorgebbaren Soll-Bahnspannung und Berechnung der Geschwindigkeitsrelationen aus der zumindest einen Bahndehnung.
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Die Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Computerprogrammprodukt mit den in Anspruch 5 bzw. 6 angegebenen Merkmalen.
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Durch die erfindungsgemäße Bereitstellung von Messwerten von aktuellen Prozessgrößen wie Bahnfeuchten, Flächengewicht, Materialgeschwindigkeit, Verdampfungsfläche, Dampfdruck und -menge, Anlagengeometrie usw. werden die für die Bestimmung der Geschwindigkeitsrelationen benötigten Messwerte an geeigneter Stelle – wie z. B. in einem Computerprogramm – zur Verfügung gestellt. Dabei liegen diese Messwerte typischerweise bereits ohnehin in verschiedenen Teilen der Anlage vor. Nur für den Fall, dass in einer speziellen Papiermaschine zumindest einer dieser benötigten Messwerte nicht vorliegen sollte, schließt die Bereitstellung der Messwerte auch eine Messung der betreffenden Messwerte ein.
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Erfindungsgemäß wird in einem so genannten ”Trocknungsmodell” aus den bereitgestellten Messwerten die relative Feuchte u_i der Papierbahn nach jedem Zylinder i der Vortrockenpartie berechnet. Dabei ist die Papierbahnfeuchte an einem Ort x_2 = x_1 + ΔL gegeben durch u_2 = u_1 – [(m_u + m_o)/Gatro]·(ΔL/V_M) mit der Maschinengeschwindigkeit V_M und dem Atro-Flächengewicht Gatro = m_F/A (m_F: Masse der trockenen Papierbahn, A: zugehörige Papierbahnfläche). Die Verdampfungsraten m_u und m_o an der Papierbahnunter- bzw. -oberseite genügen der Stefangleichung, in die auch anlagenspezifische Parameter wie z. B. Gesamtdruck und Temperatur in einer typischerweise vorhandenen Trockenhaube eingehen.
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Über ein feuchteabhängiges Elastizitätsmodul (E-Modul), das z. B. aus einer Labormessung bekannt ist, kann aus einer vorgegebenen Soll-Bahnspannung σ die notwendige Bahndehnung ε berechnet werden, aus der sich dann wiederum die Geschwindigkeitsrelationen zwischen den einzelnen Antriebsgruppen berechnen lassen. Dabei muss die Soll-Bahnspannung σ nicht in der gesamten Vor- und Nachtrockenpartie konstant sein, sondern zwischen den einzelnen Antriebsgruppen variieren, da die Bahn in der Vortrockenpartie mit zunehmender Trocknung erst die für eine größere Bahnspannung erforderliche Festigkeit erlangt.
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Die Trockenkurve der Papierbahn über die einzelnen Trockenzylinder ist insbesondere nach Stillständen oder Abrissen anders als im ”eingeschwungenen Zustand”: Nach kurzen Stillständen (z. B. nach Abrissen), während derer sich die Trockenzylinder in der Regel (etwas) aufheizen, weist die nachfolgend produzierte Papierbahn ein niedrigeres Feuchteprofil auf (das heißt die Feuchte u_i am Zylinder i ist niedriger als normal). Nach langen Stillständen, in denen die Dampfdrücke der Trockenzylinder heruntergefahren werden, sind unter Umständen die Zylinder noch nicht auf ”Betriebstemperatur”, und das Feuchteprofil der nachfolgend produzierten Papierbahn ist höher als normal. So muss der Anlagenfahrer die Geschwindigkeitsrelationen beim Anfahren an die sich ändernden Verhältnisse anpassen.
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Wenn die Bahndehnung (bzw. die Geschwindigkeitsrelationen) falsch eingestellt ist, kann dies bei zu starker Dehnung zu Bahnabrissen führen und bei zu niedriger Dehnung zu Bahnflattern, das eine schlechte Papierqualität und unter Umständen auch Abrisse zur Folge haben kann. Durch die erfindungsgemäße Lösung werden Änderungen im Feuchteprofil erkannt und die daraus resultierenden veränderten Geschwindigkeitsrelationen zwischen den Antriebsgruppen automatisch bestimmt. Dies bringt den großen Vorteil mit sich, dass die Qualität der erzeugten Papierbahn nicht mehr unter anderem von der Erfahrenheit und Aufmerksamkeit eines Bedieners (Anlagenfahrers) abhängig ist, sondern nunmehr eine durch eine gleichmäßige Bahndehnung bedingte gleich bleibende Qualität zuverlässig gewährleistet ist.
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In einer vorteilhaften Form der Ausgestaltung werden – wobei die Papiermaschine eine Leimpresse und eine Nachtrockenpartie mit jeweils zumindest einer Antriebsgruppe aufweist, wobei die Antriebsgruppen der Nachtrockenpartie zumindest einen Trockenzylinder zum Trocknen der Papierbahn aufweisen – Messwerte von Geschwindigkeiten der Antriebsgruppen, von Feuchtemessungen nach dem letzten Trockenzylinder der Nachtrockenpartie, von einem Massenfluss der aufgetragenen Leimmenge sowie von einem Wasserauftrag in der Leimpresse bereitgestellt und die Bahnfeuchte zwischen Leimpresse und Nachtrockenpartie aus der Feuchtemessung nach dem letzten Trockenzylinder der Vortrockenpartie und dem Wasserauftrag berechnet. Auf diese Weise können die Geschwindigkeitsrelationen auch für Papiermaschinen mit Leimpresse und Nachtrockenpartie zwischen sämtlichen Antriebsgruppen automatisch bestimmt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird das Elastizitätsmodul aus den Bahnfeuchten, je einer vor und nach der Leimpresse gemessenen Bahnspannung und der aus den Geschwindigkeiten der beteiligten Antriebsgruppen bestimmten Dehnung berechnet. Die Berechnung erfolgt dabei über ein weiteres Modell (”E-Modul-Modell”). Hierdurch werden Unsicherheiten vermieden, die aus der Verwendung einer Labormessung für das feuchteabhängige Elastizitätsmodul resultieren, da dies voraussetzt, dass die Eigenschaft (des E-Moduls) hinreichend konstant ist (was allerdings bei z. B. Newsprintmaschinen gewöhnlich der Fall ist). Da bei dieser Ausführungsform das feuchteabhängige E-Modul aus laufenden Messwerten der Papierbahn berechnet wird, passt sich das erfindungsgemäße Verfahren auch Veränderungen des E-Moduls in der Papierbahn automatisch an (vollständig adaptiv).
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden die Geschwindigkeitsrelationen zwischen den Antriebsgruppen automatisch eingestellt. Das heißt, die aus den Bahndehnungen berechneten Geschwindigkeitsrelationen werden der Antriebsregelung als Sollwerte vorgegeben. Die verfügbaren Messdaten unterschiedlicher und bisher nur getrennt betrachteten Teile der Anlage werden somit geeignet verknüpft, um eine für die Qualität des Produkts und die Verfügbarkeit des Prozesses vorteilhafte Einstellung zu erreichen, die bisher vom Bediener manuell (näherungsweise) eingestellt werden musste. Aufgrund der durch kontinuierliche Messungen erhaltenen Prozessdaten ist das Verfahren automatisch adaptiv und hat eine hohe Zuverlässigkeit.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den FIGuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung von Antriebsgruppen einer Papiermaschine,
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2 das Elastizitätsmodul in Abhängigkeit von der Bahnfeuchte,
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3 die Bahnspannung in Abhängigkeit von der Bahndehnung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Papiermaschine mit einer Vortrockenpartie (PDS, ”Pre-Dryer Section”), einer Leimpresse (SP, ”Size Press”) und einer Nachtrockenpartie (ADS, ”After-Dryer Section”). Die Vortrockenpartie PDS und die Nachtrockenpartie ADS bestehen jeweils aus mehreren dampfbeheizten Trockenzylindern Z. Jeweils mehrere hintereinander liegende Trockenzylinder Z werden zusammen in einer Antriebsgruppe PDS_m-1, PDS_m, ADS_1, ADS_2, ADS_n mit gleicher Geschwindigkeit angetrieben, also z. B. die Trockenzylinder Z in der Vortrockenpartie PDS in m Antriebsgruppen PDS_m-1, PDS_m und die Trockenzylinder Z der Nachtrockenpartie ADS in n Antriebsgruppen ADS_1, ADS_2, ADS_n.
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In Trockengruppen PDS, ADS einer Papiermaschine wird eine Papierbahn PB ausgehend von einer Anfangsfeuchte auf eine bestimmte Endfeuchte getrocknet. Da die Bahn PB dabei ihre Eigenschaften wie z. B. das Elastizitätsmodul, das direkt vom Feuchtegehalt abhängt, ändert, müssen die Geschwindigkeiten der einzelnen Trockengruppen PDS, ADS dem Trocknungsprofil angepasst werden, um eine gleichmäßige Bahnspannung σ (auch als Bahnzug bezeichnet) aufrechtzuerhalten, die für die Qualitätsparameter der Ware ebenso wichtig ist für die Stabilität des Bahnlaufs (möglichst keine Überdehnung, wenige Abrisse).
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Durch die erfindungsgemäße Lösung werden die für zumindest eine vorgegebene Soll-Bahnspannung σ zur Einstellung notwendigen Geschwindigkeitsrelationen berechnet. Dabei muss die Soll-Bahnspannung σ nicht in der gesamten Vor- und Nachtrockenpartie PDS, ADS konstant sein, sondern muss zwischen den einzelnen Antriebsgruppen PDS_m-1, PDS_m, ADS_1, ADS_2, ADS_n variieren, d. h. dem Trocknungsverlauf angepasst werden, welcher mit einer Schrumpfung einhergeht.
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Der Bahnzug σ_PDS_m nach der letzten Antriebsgruppe PDS_m der Vortrockenpartie PDS vor der Leimpresse SP wird in einem Regelkreis durch die Vorgabe der Geschwindigkeitsrelation v_SP/v_PDS_m – das heißt dem Verhältnis der Geschwindigkeiten der Antriebsgruppen SP und PDS_m – eingestellt. Die Bahnfeuchte u_PDS_m liegt als Messwert vor. Analog wird der Bahnzug σ_ADS_0 vor der ersten Antriebsgruppe ADS_1 der Nachtrockenpartie ADS in einem Regelkreis durch die Vorgabe der Geschwindigkeitsrelation v_ADS_1/v_SP – das heißt dem Verhältnis der Geschwindigkeiten der Antriebsgruppen ADS_1 und SP – eingestellt. Die Bahnfeuchte u_ADS_0 lässt sich aus der gemessenen Bahnfeuchte u_PDS_m und dem in der Regel bekannten Wasserauftrag in der Leimpresse SP berechnen. (Der Wasserauftrag in der Leimpresse SP lässt sich z. B. aus dem Frischwasserverbrauch der Leimpresse SP ermitteln.)
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Analog werden die über die mit dem Trocknungsmodell berechneten Bahnfeuchten bestimmten Geschwindigkeitsrelationen zwischen allen Antriebsgruppen PDS_m-1, PDS_m, ADS_1, ADS_2, ADS_n eingestellt, so dass die Geschwindigkeiten der einzelnen Antriebsgruppen PDS_m-1, PDS_m, ADS_1, ADS_2, ADS_n vorteilhafterweise automatisch an Veränderungen im Trocknungsprofil einer Papierbahn PB angepasst werden. Hierdurch werden Bahnabrisse und Bahnflattern verhindert und somit die Zuverlässigkeit der Papiermaschine bei gleichbleibend guter Papierqualität erhöht.
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2 zeigt das Elastizitätsmodul E in Abhängigkeit von der Bahnfeuchte u. Zur Ermittlung der Kennlinie E(u) mittels eines so genannten ”E-Modul-Modells” werden die Punkte A und B ermittelt, wobei A die Feuchte und Bahnelastizität unmittelbar vor der Leimpresse SP repräsentiert (= trocken) und B dasselbe unmittelbar nach der Leimpresse SP (= feucht). Dabei wird die Bahnfeuchte u_PDS_m vor der Leimpresse SP gemessen und die Bahnfeuchte u_ADS_0 nach der Leimpresse SP aus dem in der Regel bekannten Wasserauftrag in der Leimpresse SP berechnet. Um die zugehörigen E-Werte zu bestimmen, wird zudem vor und nach der Leimpresse SP die Bahnspannung σ gemessen und die Dehnung der Bahn PB aus den Geschwindigkeiten der beteiligten Antriebsgruppen PDS_m, SP, ADS_0 bestimmt. (Optional kann die Kennlinie gemäß dieser Figur auch als Labormessung verwendet werden, falls diese Eigenschaft der Papierbahn PB hinreichend konstant bleibt).
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Gemäß dem E-Modul-Modell verlaufen die Kennlinien während des Verlaufs der Papierbahn PB durch Vortrockenpartie PDS, Leimpresse SP und Nachtrockenpartie ADS innerhalb des durch die schraffierten Linien gekennzeichneten Bereichs, wie in der Sprechblase angedeutet. Der Zustand der Papierbahn PB im E(u)-Diagramm verläuft zunächst während der Vortrockenpartie PDS vom Punkt B zum Punkt A, da die zugehörige Bahnfeuchte u_PDS kontinuierlich abnimmt. Während des Durchgangs durch die Leimpresse SP nimmt die entsprechende Bahnfeuchte u_SP wieder zu und schließlich die Bahnfeuchte u_ADS in der Nachtrockenpartie ADS wieder ab – entsprechend einer Zustandsbewegung von A nach B und wieder zurück.
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Anhand des mittels des besagten Modells bestimmten Elastizitätsmoduls E in Abhängigkeit von der Bahnfeuchte u (oder optional mittels einer Laborkennlinie) kann nun in einem nächsten Schritt die Bahndehnung ε zu einer vorgegebenen Soll-Bahnspannung σ errechnet werden, wie in der nächsten Figur gezeigt ist.
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3 zeigt die Bahnspannung σ in Abhängigkeit von der Bahndehnung ε für verschiedene Bahnfeuchten u. Dabei beginnen die den verschiedenen Bahnfeuchten u entsprechenden Halbgeraden nur für den Fall einer trockenen Papierbahn PB mit der Bahnfeuchte u1 im Ursprung. Es ist bekannt, dass sich die Papierbahn PB im spannungslosen Zustand (σ = 0) in Länge und Breite verändert, wenn die Feuchte u verändert wird. In Maschinen-Richtung nimmt die Länge der Papierbahn PB zu, wenn – ausgehend von einer ”absolut trockenen (atro)” Papierbahn PB – Feuchte zugeführt wird, wie es z. B. bei der Leimpresse SP der Fall ist. Dies ist in der FIGur durch die feuchteabhängigen Bahndehnungen ε im zugfreien Zustand – ε(σ = 0, u1), ε(σ = 0, u2), ... – dargestellt, wobei u4 > u3 > u2 > u1 gilt. Die gestrichelten Linien sind die Halbgeraden für die Bahnfeuchten u_PDS_m im Punkt A und u_ADS_0 im Punkt B der 2.
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Um die Bahndehnung ε zu einer vorgegebenen Soll-Bahnspannung σ zu ermitteln, muss nun nur noch für die jeweilige Bahnfeuchte u die zu der Soll-Bahnspannung σ gehörende Bahndehnung ε bestimmt werden, wie dies in der FIGur durch die gepunkteten Pfeile gezeigt ist. Aus diesen jeweiligen Bahndehnungen ε können die Geschwindigkeitsrelationen zwischen den einzelnen Antriebsgruppen PDS_m-1, PDS_m, ADS_1, ADS_2, ADS_n berechnet werden und der Antriebsregelung als Sollwerte vorgegeben werden. Auf diese Weise können die Geschwindigkeitsrelationen zwischen den Antriebsgruppen PDS_m-1, PDS_m, ADS_1, ADS_2, ADS_n automatisch so eingestellt werden, dass die Bahnspannung σ der Papierbahn PB weder zu hoch ist (Gefahr des Bahnabrisses) noch zu niedrig ist (Gefahr des Bahnflatterns).
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Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine Papiermaschine mit zumindest einer Vortrockenpartie mit zumindest einer Antriebsgruppe, wobei die Antriebsgruppen zumindest einen Trockenzylinder zum Trocknen einer Papierbahn aufweisen. Um die Geschwindigkeitsrelationen zwischen den Antriebsgruppen automatisch zu bestimmen, wird ein Verfahren mit den folgenden Schritten vorgeschlagen:
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– Bereitstellung von Messwerten wie insbesondere von Geschwindigkeiten der Antriebsgruppen, einer flächebezogenen Masse der Papierbahn, von Feuchtemessungen nach dem letzten Trockenzylinder der Vortrockenpartie und/oder von Dampfdrücken in den Trockenzylindern,
- – Berechnung von Bahnfeuchten der Papierbahn nach jedem Trockenzylinder aus den Messwerten,
- – Berechnung zumindest einer Bahndehnung aus einem feuchteabhängigen Elastizitätsmodul und zumindest einer vorgebbaren Soll-Bahnspannung und
- – Berechnung der Geschwindigkeitsrelationen aus der zumindest einen Bahndehnung.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung werden die aus Änderungen im Feuchteprofil resultierenden veränderten Geschwindigkeitsrelationen zwischen den Antriebsgruppen für eine gleichmäßige Bahndehnung automatisch bestimmt.
